贵州飞机人工增雨空地通信作业指挥系统研制与应用

许 弋，喻乙耽，李枚曼

(贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳 550081)

0 引言

飞机人工增雨作业是一项复杂的系统性工程。在保证飞行安全的前提下，空域、飞行、气象等部门需通力配合，在适当时机、区域、剂量实施科学的作业，争取最佳的增雨效果，其中空地配合实时指挥作业尤其重要[1-6]。近年来，国内许多省飞机人工增雨作业按照过程预报、潜力预报、监测预警、跟踪指挥、效果检验“五段”实时业务要求，采用最新的技术手段与工具，陆续建设基于北斗卫星导航系统的飞机人工增雨作业地空通信系统，在地面依托雷达、卫星等探测数据，根据天气实时及发展情况，科学指挥飞机安全高效开展增雨作业，实现飞机空中增雨作业时与地面实时通讯、监测和指挥，让决策指挥和作业实施更加紧密结合在一起，进一步提高飞机人工增雨作业指挥时效性、科学作业及精准服务水平和能力[7-13]。

贵州飞机人工增雨工作自2005年开展至今，早期在作业指挥上主要通过安装甚高频来实现空地通话联系，效果不尽理想，整个飞机作业的跟踪监控指挥过程，很难及时建立空地之间准确的信息传递和数据统计，飞机增雨作业效益也无法得到科学有效的发挥。2008年开始逐步使用北斗定位功能监控贵州飞机增雨飞行情况，因信号效果不佳，数据接收不够完整，于2015年后未使用。2018年针对贵州增雨飞机型号，在飞机上重新科学设计改装北斗天线安装位置，对加装北斗系统的人工影响天气飞机天线进行了升级改造，并设计开发基于北斗通信导航系统的集作业、跟踪、指挥、监控、通信于一体的贵州飞机增雨作业空地通信系统，实现贵州飞机人工增雨业务工作中飞行航线设计和申报、飞行作业时实时GPS数据收集、飞行轨迹信息实时显示和监控、催化剂播撒情况和实时作业决策指挥等功能，进一步发挥贵州飞机增雨作业在抵御干旱、增加水库电站蓄水、保护生态文明建设、保障脱贫攻坚成果等方面的重要作用。

1 系统设计

1.1 系统构成

贵州飞机人工增雨空地通信作业指挥系统由北斗通信主机和北斗天线、数据服务器、空地终端机及通信作业指挥软件组成。其中北斗设备负责接收飞机实时轨迹等数据信息；数据服务端主要解析北斗设备及相关设备信息和应用数据，向应用软件提供数据服务；空地终端及系统进行飞行航线设计、空地实时通讯、数据监测和作业指挥。

1.2 技术参数指标

1.2.1 北斗设备 探测范围为中国大陆所有地区和海区；定位或信息通信1 s之内，精度高达20 m；工作波段为S/L波段，受雨衰影响小；报文处理最长98个字节；全向天线发射瞬间功率100 W，待机模式功耗为5 W。

1.2.2 空地终端机 Inter酷睿i3处理器；内存4 GB；硬盘500 G SATA II 3.0Gb/s；显卡GeForce GTX 750 , GTX 750 Ti , GTX 760M(笔记本) GTX 765M。

图1 系统框架图

1.2.3 空地通信作业指挥软件 ①数据标准化与编解码软件：对轨迹数据、作业数据、短信数据和规划数据，采用规范指定的信息数据格式进行编码和解码操作。轨迹文件数据格式内容由数据包长度、序号、飞机编号、经度、纬度、速度、高度、航向、温度、湿度和作业数据信息组成,文件名为YYYYMMDD机场地点飞机编号(架次)．Dat,如20200507贵州黄果树B9792(1).dat;作业数据格式内容由厂商代码、使用方式、催化剂种类、弹药样式、弹药型号和弹药用量编码组成;短信数据格式由发送方北斗卡号、接收方北斗卡号和报文内容组成，报文内容长度不超过74字节;规划数据由航线编号、数据包总量、数据包帧号、坐标点数目、坐标点数组和接收方北斗卡号组成。②通信传输系统软件：提供socket网络服务，采用json技术，对数据进行传输。③传输显示端软件：提供数据展示及数据存储管理。

图2 软件结构图

1.3 软件功能设计

软件分飞机端和地面端2套，主要包括8个功能模块：实时作业轨迹显示、短信数据传输、雷达回波及云图叠加、航线设计与导出、作业信息填报、历史回放、消息管理和系统设置。其中飞机端软件主要实时显示飞机位置、机载探测设备数据，将数据实时下发到地面，记录作业信息，与地面实时通信，同时还能对历史数据进行回放；地面端软件主要监控飞机端的下发数据、与各个终端进行信息交换以及实时显示雷达、卫星等相关信息，航线设计与导出、作业信息填报，同时还能对历史数据进行回放。该软件主要关键技术有3个。

1.3.1 实现实时飞行轨迹传输、实时跟踪作业、温湿度探测信息和作业信息等实时沟通传输。

①飞机端：实时显示飞机当前的时间、经度、纬度、高度、方向、速度以及温度、湿度等信息，位置信息标绘在电子地图上,飞行轨迹用红蓝色标识，红色为催化作业时段。

图3 飞机端实时轨迹数据接收图

图4 地面端实时轨迹数据接收图

②地面端：通过北斗卫星回传到地面的北斗指挥机上，软件通过秒级的同步策略，获得飞机的实时位置实时轨迹在地面电子地图上显示，接收数据同飞机端一致。

③空地端上下传输数据主要是通过短报文(短信)传输，文字为主，可以导出信息互通记录。

图5 短信数据传输截图

1.3.2 通过实时飞行轨迹等地理信息数据与雷达、卫星等气象数据叠加，监控指挥增雨飞机飞行作业情况，在地面端飞行轨迹GIS地图上。

①叠加雷达回波实况当前位置、预测位置和发展态势，包括雷达回波强度、速度、谱宽3个要素及其在14个不同仰角的具体信息。

②调用Micaps云图中风云FY-2D/2E/2G卫星原始数据，了解飞机过程中云层的情况。

1.3.3 科学设计飞机增雨作业飞行航线，同时自动输出作业方案、计划申请单、架次报等信息。

①每次具备增雨条件的天气过程开始前24～3 h，根据气象预报和人影模式等产品，综合分析云带演变、云垂直结构、作业条件，结合干旱、生态等增雨需求，确定增雨潜力落区，设计增雨飞行航线(最大绘制点数为16个点)，输出作业方案、计划申请单、申请表(昆明、贵阳)，在文档、表格相应位置填入航线设计相关信息(制作时间、飞行区域、飞行航线、航线图、具体经纬度坐标、地名、预计飞行时间、预计作业时间、高度、值班人员等)存档和上报航空管理部门。

②作业结束后，通过软件读取北斗实际航迹，自动识别起飞时间、降落时间、催化开始时间、催化结束时间、作业航迹起点经纬度、作业航迹拐点经纬度、作业面积等填报信息并导出架次报，并兼有航迹补充功能。

2 业务应用效果

2.1 系统应用情况

2018年至今，系统已正常业务稳定运行4 a。截止2021年12月，使用该系统确定增雨潜力区并设计增雨飞行航线165份；成功实时监控、指挥飞机增雨110架次；制作架次报、作业信息报及时上报220份，贵州省每年飞机作业信息上报国家局报送率和完整性均达100%。贵州省飞机人工增雨科学作业、安全作业能力得到大幅度提升、工作效率进一步提高。

图6 作业信息填报与综合应用图

2.2 业务工作流程

图7 业务工作流程图

2.3 业务应用效果个例分析

以2021年7月17日1 d 2架次飞机人工增雨作业为例，介绍本系统的应用效果。

2.3.1 作业前作业方案设计 受低涡切变系统影响，17—20日在贵州西部、北部将出现1次降雨天气过程。作业前1 d 16日12时启动系统流程，根据天气系统移向移速和影响范围、人影模式预报、卫星云图、雷达资料，结合农业气象干旱监测、森林火险气象预报、南部电站和水库蓄水不足的增雨需求，分析制作17日飞机人工增雨作业计划、作业预案，利用地面端系统设计飞行航线制定作业方案、计划申请单报空域管制部门。

拟计划7月17日在贵州省西部、中南部增雨作业潜力区的5200～5900 m高度冷云区以增蓄、抗旱增雨为主采用冷云催化剂适时进行增雨作业。上午抗旱增雨作业航线：安顺黄果树机场—大方—桐梓—湄潭—遵义县—安顺黄果树机场。下午水库增蓄作业航线：安顺黄果树机场—关岭东部A点—长顺—贞丰—册亨—望谟东部B点—贞丰—安顺黄果树机场。

2.3.2 实时监控指挥及作业情况 17日根据空域管制部门审批意见，确定10时05分时第1架次增雨飞机起飞，14时10分时第2架次增雨飞机起飞，作业和指挥人员同时打开空中和地面飞机人工增雨通讯系统，飞机端业务软件显示实时飞机轨迹，地面端业务软件实时接收信号，将雷达、卫星等数据在软件上进行叠加，开始实时监控飞机情况。随后，地面人影指挥中心告知飞机作业人员本次增雨作业高度在0～-5℃层之间，第1架次作业层风向268°、风速6.4 m·s-1，第2架次作业层风向267°、风速6.7 m·s-1，在飞行过程中随时监测航路上作业区域的雷达回波发生发展和变化，分析回波强度、速度、回波顶高情况，根据作业层风向风速及0℃层等指挥空中作业人员在适当作业高度、作业区域播撒催化剂。第1架次在11时、第2架次在15时地面指挥人员观测到飞机已进入有利于进行播撒作业的区域，随即通过通讯系统向飞机作业人员发送作业指令短信，在第1架次雷达回波超过20 dBz，第2架次雷达回波超过30 dBz时，要求对作业人员云层进行重点播撒。

图8 7月17日2架次航线设计图

图9 2021年7月17日11时12分时第1架次雷达回波与航线叠加图

第1架次飞机上作业人员于11时02—54分时在6000 m高度、第2架次飞机上作业人员于15时07—57分时在5500 m高度进行冷云催化剂播撒，均使用催化剂960 g。其中第2架次飞机起飞上升到关岭上空4700 m高度时观测有成片对流云发展，地面雷达观测关岭西部有强回波东移。地面指挥人员通过系统短信告知机上作业人员，机组调整航线绕过强回波作业点(关岭东部A点、贞丰)，在长顺、册亨、望谟开展作业后安全降落。

图10 2021年7月17日12时05分时第1架次卫星云图与航线叠加图

2.3.3 作业上报及效果评估 第1架次、第2架次分别于12时36分、16时22分落地，增雨作业结束，北斗通讯系统运行正常，飞行轨迹保存完整，作业监控系统关闭。作业结束后立即将飞机端系统轨迹数据保存拷贝，并通过地面端系统制作架次报文件上报。作业结束后6 h，导出相关数据制作效果评估指导产品，作业后6 h降水量显示作业影响区普降中到大雨，增加降水1.06亿m3。

图11 2021年7月17日15时第2架次雷达回波与航线叠加图

图12 2021年7月17日16时第2架次卫星云图与航线叠加图

3 结语

①系统创新融合了北斗一号导航与通信能力，具有精度高、定位可靠、导航、授时服务、短报文通信五大功能，保证了贵州省飞机增雨作业时信息传递的可靠性、精准度，GPS统一授时，保障作业时效性。

②系统的业务软件以基于GIS电子地图为基础，通过地理信息数据与雷达、卫星等气象数据叠加来监控增雨飞机飞行作业情况，及时、准确地提高了空地飞机人工增雨作业调度指挥能力，进一步增强了气象业务现代化水平。

③每次飞机人工增雨空地协调跟踪指挥作业，在飞机起飞前、作业中、起飞后、落地关车及24 h内信息上报的过程中，地面指挥中心、飞机上作业人员等之间就各个阶段的有关任务和出现情况，能通过系统进行及时沟通、协商、分析、决策、指挥、执行、反馈等。

④基于北斗导航系统在贵州省飞机增雨作业中的应用，实现了贵州省飞机人工增雨实时飞行轨迹传输、实时跟踪指挥播撒作业、温湿度探测信息和作业信息等实时沟通传输，飞机增雨播撒准确率提高了90%，增雨效率提升了80%。